舒若　蔡麗萍

摘要：針對(duì)《射頻電路基礎(chǔ)》課程的課堂教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了16個(gè)學(xué)時(shí)的基于ADS軟件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。相關(guān)實(shí)驗(yàn)與課堂教學(xué)結(jié)合緊密、實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)施后提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：射頻電路設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）52-0273-02

一、引言

近年來，隨著通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子系統(tǒng)的工作頻率越來越高，射頻電路應(yīng)用廣泛，國內(nèi)外都嚴(yán)重缺乏從事射頻電路設(shè)計(jì)的專業(yè)人才，目前相關(guān)課程已經(jīng)廣泛在國內(nèi)外高校開設(shè)[1]。

《射頻電路基礎(chǔ)》是我校在2014年通信工程專業(yè)本科培養(yǎng)方案中新開設(shè)的針對(duì)大三學(xué)生的限選課程，開設(shè)目的是希望通過傳授射頻電路基礎(chǔ)知識(shí)，為學(xué)生就業(yè)和升學(xué)提供一個(gè)“新”的方向，同時(shí)將本專業(yè)的與電路設(shè)計(jì)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，從《電路分析》關(guān)注的低頻領(lǐng)域和《高頻電子線路》關(guān)注的高頻領(lǐng)域，擴(kuò)展到射頻領(lǐng)域的電路設(shè)計(jì)。本門課程的學(xué)時(shí)情況是：課堂教學(xué)32個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)16個(gè)學(xué)時(shí)。

二、《射頻電路基礎(chǔ)》的課堂教學(xué)內(nèi)容

課堂教學(xué)內(nèi)容分為6章：第1章講主要講述射頻電路設(shè)計(jì)的背景、射頻頻譜范圍、基本量綱和單位、無源元件的射頻特性。第2章主要講述傳輸線理論，包括等效電路模型、傳輸線方程、特性阻抗和反射系數(shù)、典型終端條件等。第3章講述史密斯圓圖，包括阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖、圓圖上的串并聯(lián)頻率響應(yīng)等。第4章講授匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，包括各種匹配方案和匹配網(wǎng)絡(luò)中的帶寬問題。第5章講授多端口網(wǎng)絡(luò)和散射參量。第6章講授射頻放大器設(shè)計(jì)，包括射頻放大器的分類、特性指標(biāo)、直流偏置電路設(shè)計(jì)、功率關(guān)系、匹配電路設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性判別等內(nèi)容。

可以看出，本門課程涵蓋了射頻電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的基礎(chǔ)概念和理論、基本設(shè)計(jì)原則和方法，課堂教學(xué)之外必須設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握，同時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要傳授射頻電路設(shè)計(jì)工具的使用。

三、《射頻電路基礎(chǔ)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

ADS（Advanced Design System）是美國安捷倫公司所生產(chǎn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，也是當(dāng)今國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件[2]。我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基于ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真，共8個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)2個(gè)學(xué)時(shí)，共16個(gè)學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)根據(jù)課堂教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行同步安排，單次實(shí)驗(yàn)的人數(shù)為1個(gè)班級(jí)30人，3個(gè)班級(jí)輪流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。我們?cè)O(shè)計(jì)的具體每個(gè)實(shí)驗(yàn)的名稱見圖1。

實(shí)驗(yàn)一主要學(xué)習(xí)ADS軟件的使用，包括ADS軟件基礎(chǔ)操作講解、電路原理圖建立、仿真，以及Murata公司的元件庫安裝。實(shí)驗(yàn)二依據(jù)傳輸線理論和射頻工程師法則進(jìn)行電路分析和典型終端條件的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)三要求學(xué)生依據(jù)給出的負(fù)載阻抗和波源阻抗，使用史密斯圓圖應(yīng)用工具，分別采用分立元件和微帶線進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)四采用具體電路板進(jìn)行微帶線電路設(shè)計(jì)，包括微帶線的基片參數(shù)設(shè)置和ADS微帶線計(jì)算器的使用。實(shí)驗(yàn)五進(jìn)行晶體管偏置電路設(shè)計(jì)，包括晶體管直流特性分析、直流偏置電路設(shè)計(jì)、晶體管散射參數(shù)掃描、穩(wěn)定性因子和最大增益測量。實(shí)驗(yàn)六基于負(fù)反饋電路進(jìn)行射頻放大器的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)七主要根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)和噪聲系數(shù)圓與等功率增益圓設(shè)計(jì)輸入端匹配電路和輸出匹配電路，測量噪聲系數(shù)和功率增益。實(shí)驗(yàn)八根據(jù)實(shí)驗(yàn)七的電路原理圖進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。

四、《射頻電路基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

通過上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排和組織，本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有了以下特點(diǎn)：

1.與課堂教學(xué)知識(shí)點(diǎn)結(jié)合緊密。實(shí)驗(yàn)完全覆蓋了課程的課堂教學(xué)內(nèi)容，針對(duì)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，既注重射頻電路基礎(chǔ)知識(shí)的理解又注重ADS軟件設(shè)計(jì)技能的訓(xùn)練。比如實(shí)驗(yàn)二的內(nèi)容完全依據(jù)傳輸線理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)電路驗(yàn)證射頻工程師法則，驗(yàn)證終端短路和開路的阻抗公式。課程所有實(shí)驗(yàn)實(shí)施后，學(xué)生使用到了ADS軟件的多個(gè)元件庫和智能控件，掌握了基礎(chǔ)的基于射頻無源元件、微帶線和射頻放大器的電路設(shè)計(jì)技巧。

2.工程實(shí)踐性強(qiáng)，大幅度使用半導(dǎo)體公司的射頻元件。多個(gè)實(shí)驗(yàn)中用到了Murata公司的元件庫，實(shí)驗(yàn)四以FR4為電路板材料進(jìn)行微帶線參數(shù)計(jì)算和設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)五、六、七對(duì)安捷倫公司的ATF54143射頻放大器進(jìn)行低噪聲功率放大器設(shè)計(jì)。上述一些元件的使用需要下載和安裝相應(yīng)公司的元件模型，需要閱讀產(chǎn)品說明和分析典型電路，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

3.組織方式合理，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)比例高。我們將每次實(shí)驗(yàn)課堂內(nèi)容分為教師講解部分和學(xué)生操作部分，教師先講解本次實(shí)驗(yàn)中ADS相關(guān)控件的使用方法，并且演示如何進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真。學(xué)生在后續(xù)操作中，針對(duì)具體任務(wù)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有一定難度，多數(shù)是設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)或綜合型實(shí)驗(yàn)。

4.實(shí)驗(yàn)前后關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，設(shè)置合理。8個(gè)實(shí)驗(yàn)前后聯(lián)系緊密，比如實(shí)驗(yàn)二的傳輸線電路設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)六中射頻放大器負(fù)反饋電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)三的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)七中射頻放大器前后端匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的應(yīng)用基礎(chǔ)。課堂教學(xué)的第6章射頻放大器設(shè)計(jì)是課程的難點(diǎn)，學(xué)生較難掌握，我們將其主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分解，在實(shí)驗(yàn)五、六、七中分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生在同一個(gè)ADS工程中進(jìn)行電路的逐次設(shè)計(jì)，最后完成了射頻放大器電路的全部設(shè)計(jì)工作。

5.使用了小班授課和云課堂教學(xué)。我校通信工程專業(yè)每屆學(xué)生為3個(gè)班90人，本門課程連續(xù)3年選課人數(shù)在80人左右。每次實(shí)驗(yàn)人數(shù)約為1個(gè)班30人的規(guī)模，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師有2人，可以充分保證在現(xiàn)場及時(shí)地對(duì)學(xué)生進(jìn)行答疑和輔導(dǎo)，并且我們?cè)诒拘Ｔ普n堂上進(jìn)行了該課程的建設(shè)，上傳了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師講解部分的視頻，學(xué)生可以控制視頻的觀看速度和復(fù)習(xí)回顧。

五、結(jié)論

《射頻電路基礎(chǔ)》是我校通信工程專業(yè)的一門新開課，課程內(nèi)容定位為傳授射頻電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和基本電路設(shè)計(jì)方法。相對(duì)于32個(gè)學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)，16個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)量比較大，這樣設(shè)置的根本原因是為了充分保障學(xué)生學(xué)習(xí)更多的具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的設(shè)計(jì)實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生電路設(shè)計(jì)軟件的操作能力。本門課程內(nèi)容較多而且很抽象，理論知識(shí)和工程應(yīng)用結(jié)合緊密，學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較困難，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)充分考慮了相關(guān)理論知識(shí)在電路設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)和ADS設(shè)計(jì)軟件的訓(xùn)練，并且采用實(shí)際半導(dǎo)體公司產(chǎn)品進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排合理，組織得當(dāng)，工程實(shí)踐性較好。實(shí)驗(yàn)實(shí)施后，學(xué)生評(píng)價(jià)較高，取得了極好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]Reinhold Ludwig，Gene Bogdanov.射頻電路設(shè)計(jì)——理論與應(yīng)用[M].第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2]徐興福.ADS2011射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.